基于CFD的太阳能分层加热储热水箱优化研究

摘要

太阳能热水系统节能、安全、环保，是应用最广泛的清洁能源热水系统之一，作为储热装置的储热水箱设计对太阳能热水系统的工作效率有很大的影响。目前市场上的电辅助太阳能热水系统经常会有加热过多的水，而造成能源浪费的现象。为了解决这一问题，本文基于计算流体力学(CFD)模拟优化一种太阳能分层加热储热水箱，期望达到按照需要热水量进行加热的目的。
　　本文采用计算流体力学技术对储热水箱内的流场进行计算模拟。在模拟过程中，用GAMBIT以及AnsysICEM软件对计算区域生成计算网格，选择层流模型对其进行非稳态数值模拟分析。影响储热水箱分层加热的主要有四个因素:从加热水箱导入到储热水箱的热水的温度（T），热水导管的直径(D)和高度（H），电加热器的功率(P)。根据模拟结果，搭建试验平台，验证计算模拟的正确性。对水箱内流场进行正交模拟分析，并定义了热量输入利用率η来判断储热水箱的分层加热效果的优劣。通过结果分析得到以下结论:
　　1、新型储热水箱能够实现分层加热，按需水量进行加热的目的。
　　2、通过二维模拟，可知新型分层加热储热水箱中的热水导管的高度是影响储热水箱分层加热的关键因素。对于高1600mm，直径360mm的水箱，最佳的导管高度为1200mm;热水从加热水箱流到储热水箱的速度应≥0.012m/s，否则储热水箱内容易出现冷热水混乱严重的现象;16组模拟中，当T=333K，D=32mm，H=1200mm，P=2kW时，储热水箱内温度分层明显，热量输入利用率叩最高。
　　3、将试验结果与模拟结果相对比，二者之间具有较好的一致性，一定程度上验证了模拟的正确性。基于CFD模拟分析储热水箱的流场，对储热水箱的设计有一定的指导性意义。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 太阳能储热水箱的研究现状

1．2．1 太阳能储热水箱的水温分层研究

1．2．2 太阳能储热水箱的分层加热研究

1．3 主要研究内容与目标

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目标

1．4 研究的技术路线及设备

1．4．1 技术路线

1．4．2 研究设备

第2章 计算流体力学理论基础

2．1 计算流体力学(CFD)概述

2．2 计算流体力学的思想

2．3 计算流体力学的特点

2．4 对控制方程的离散方法

2．4．1 概述

2．4．2 有限体积法

2．5 湍流数值模拟方法

2．6 湍流模型

2．7 区域离散

2．7．1 网格类型

2．7．2 生成网格的类型

第3章 新型分层加热储热水箱初步设计

3．1 新型太阳能分层加热储热水箱初步设计

3．2 不同热源新型储热水箱初步设计

第4章 储热水箱数值模拟

4．1 模拟的目的与计算软件的选择

4．2 储热水箱的物理模型建立与网格划分

4．2．1 定义物理模型

4．2．2 模型的简化与假设

4．2．3 模型网格划分

4．3 计算模型的选择与设置

4．3．1 求解器和计算模型

4．3．2 材料特性

4．3．3 运行条件

4．3．4 边界条件

4．3．5 控制条件

4．3．6 亚松弛因子设置

4．3．7 初始化设置

4．3．8 残差设置

4．3．9 迭代设置

4．4 计算结果与分析

4．4．1 典型的流场类型

4．4．2 四组水温分层明显的储热水箱

第5章 储热水箱的三维模拟及试验验证

5．1 模型网格划分

5．2 计算设置

5．2．1 求解器和计算模型

5．2．2 材料特性

5．2．3 运行条件

5．2．4 边界条件

5．2．5 控制条件

5．3 计算结果与分析

5．4 试验验证

5．4．1 建立试验系统

5．4．2 试验结果与分析

第6章 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

6．3 研究的创新点

参考文献

作者简介